1 快速成形技術(shù)的產(chǎn)生

　　快速原型(Rapid Prototyping，RP)技術(shù)，又稱快速成形技術(shù)，是當(dāng)今世界上飛速發(fā)展的制造技術(shù)之一。快速成形技術(shù)最早產(chǎn)生于二十世紀(jì)70年代末到80年代初，美國(guó)3M公司的阿倫赫伯特于1978年、日本的小玉秀男于1980年、美國(guó)UVP公司的查爾斯胡爾1982年和日本的丸谷洋二1983年，在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即用分層制造產(chǎn)生三維實(shí)體的思想。查爾斯胡爾在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系統(tǒng)SLA-1，1986年該系統(tǒng)獲得專利，這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑。同年，查爾斯胡爾和UVP的股東們一起建立了3D System公司。與此同時(shí)，其它的成形原理及相應(yīng)的成形系統(tǒng)也相繼開發(fā)成功。1984年米歇爾法伊杰提出了薄材疊層(Laminated Object Manufacturing，以下簡(jiǎn)稱LOM)的方法，并于1985年組建Helisys公司，1992年推出第一臺(tái)商業(yè)成形系統(tǒng)LOM-1015。1986年，美國(guó)Texas大學(xué)的研究生戴考德提出了選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)稱SLS)的思想，稍后組建了DTM公司，于1992年開發(fā)了基于SLS的商業(yè)成形系統(tǒng)Sinterstation。斯科特科瑞普在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)稱FDM)的思想，1992年開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型3D-Modeler。

　　自從80年代中期SLA光成形技術(shù)發(fā)展以來(lái)到90年代后期，出現(xiàn)了幾十種不同的RP技術(shù)，但是SLA、SLS和FDM幾種技術(shù)，目前仍然是RP技術(shù)的主流，最近幾年LJP(立體噴墨打印)技術(shù)發(fā)展迅速，以色列、美國(guó)、日本等國(guó)的RP設(shè)備公司都力推此類技術(shù)設(shè)備。

　　2 快速成型技術(shù)特點(diǎn)

　　RP技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法(即機(jī)械加工)有著本質(zhì)的區(qū)別，它采用逐漸增加材料的方法(如凝固、焊接、膠結(jié)、燒結(jié)、聚合等)來(lái)形成所需的部件外型，由于RP技術(shù)在制造產(chǎn)品的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢棄物造成環(huán)境的污染，(傳統(tǒng)機(jī)械加工的冷卻液等是污染環(huán)境的)，因此在當(dāng)代講究生態(tài)環(huán)境的今天，這也是一項(xiàng)綠色制造技術(shù)。

　　RP技術(shù)集成了CAD、CAM、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、化工、材料工程等多項(xiàng)技術(shù)，解決了傳統(tǒng)加工制造中的許多難題。

　　RP技術(shù)的基本工作原理是離散與堆積，在使用該技術(shù)時(shí)，首先設(shè)計(jì)者借助三維CAD或者通過(guò)逆向工程所采集的幾何數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化模型，這是完成快速成型制造的一項(xiàng)基本條件，借助現(xiàn)有的主流三維設(shè)計(jì)軟件建立三維模型，再經(jīng)過(guò)三維CAD導(dǎo)出相應(yīng)的文件格式輸入快速成型機(jī)當(dāng)中，通過(guò)逐點(diǎn)、逐面進(jìn)行三維的立體堆積，部件完成后，再經(jīng)過(guò)必要的后續(xù)處理，使完成的部件在性能、形狀尺寸、外觀上等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　RP技術(shù)的特點(diǎn)

　　從原理上說(shuō)，應(yīng)用RP技術(shù)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品制造，可以忽略產(chǎn)品部件的外形復(fù)雜程度(這也是與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式制造產(chǎn)品的最大區(qū)別之一)，原材料的利用率接近100%，制造精度最高可達(dá)0.01mm。

　　RP技術(shù)的主要特點(diǎn)有：

　　2.1 制造快速

　　RP技術(shù)是并行工程中進(jìn)行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段，能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)同步進(jìn)行，從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，極大的降低了新品開發(fā)的成本及風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于外形尺寸較小，異形的產(chǎn)品尤其適用。

　　2.2 CAD/CAM技術(shù)的集成

　　設(shè)計(jì)制造一體化一直來(lái)說(shuō)是現(xiàn)在的一個(gè)難點(diǎn)，計(jì)算機(jī)輔助工藝(CAPP)在現(xiàn)階段由于還無(wú)法與CAD、CAM完全的無(wú)縫對(duì)接，這也是制約制造業(yè)信息化一直以來(lái)的難點(diǎn)之一，而快速成型技術(shù)集成CAD、CAM、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、化工、材料工程等多項(xiàng)技術(shù)，使得設(shè)計(jì)制造一體化的概念完美實(shí)現(xiàn)。

　　2.3 完全再現(xiàn)三維數(shù)據(jù)

　　經(jīng)過(guò)快速成型制造完成的零部件，完全真實(shí)的再現(xiàn)三維造型，無(wú)論外表面的異形曲面還是內(nèi)腔的異形孔，都可以真實(shí)準(zhǔn)確的完成造型，基本上不再需要再借助外部設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。

　　2.4 成型材料種類繁多

　　到目前為止，各類RP設(shè)備上所使用的材料種類有很多，樹脂、尼龍、塑料、石蠟、紙以及金屬或陶瓷的粉末，基本上滿足了絕大多數(shù)產(chǎn)品對(duì)材料的機(jī)械性能需求。

　　2.5 創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益

　　與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式比較，開發(fā)成本上節(jié)約10倍以上，同樣，快速成型技術(shù)縮短了企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)周期，使的在新品開發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案的問(wèn)題大大減少，也基本上消除了修改模具的問(wèn)題，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。

　　2.6 應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域廣

　　RP技術(shù)經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，技術(shù)上已基本上形成了一套體系，同樣，可應(yīng)用的行業(yè)也逐漸擴(kuò)大，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)與制造，材料工程、醫(yī)學(xué)研究、文化藝術(shù)、建筑工程等等都逐漸的使用RP技術(shù)，使得RP技術(shù)有著廣闊的前景。

　　3 現(xiàn)階段主流的RP工藝方法介紹

　　3.1 SLA(立體光造型技術(shù))

　　立體光造型技術(shù)是典型的逐層制造法，采用光敏樹脂(聚丙烯酸脂)為原料，紫外激光在工控機(jī)的控制下根據(jù)零件的分層截面信息，在光敏樹脂等相應(yīng)材料的液面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂經(jīng)過(guò)光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)分層截面，一層固化好后工作平臺(tái)下降一個(gè)分層厚的距離，以便在先前固化好的零件分層截面是重新涂抹一層新的液態(tài)樹脂，然后工控機(jī)控制激光再掃描下一分層截面，層與層之間也因此而緊密連接在一起沒(méi)有縫隙。如此反復(fù)直至整個(gè)零件成型。

　　國(guó)外的SLA技術(shù)以美國(guó)的3D SYSTEM公司為代表，設(shè)備技術(shù)都較為成熟，同時(shí)日本德國(guó)以色列都也有各自具有特色比較成熟的SLA快速成型技術(shù)。國(guó)內(nèi)是以西安交大的設(shè)備較為成熟，現(xiàn)已開發(fā)出一整套SLA快速成型機(jī)，成型速度、零件精度都已接近國(guó)外先進(jìn)技術(shù)。

　　總體來(lái)說(shuō)SLA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是成型零件精度高，表面質(zhì)量好，原材料利用率高，而且可以制作形狀復(fù)雜的零件。但SLA技術(shù)也有一定的局限性就是不能選用多種材料，只能固定用光敏感材料。

　　3.2 SLS(選擇激光燒結(jié)技術(shù))

　　SLS與SLA有相似之處，都是在激光的選擇下對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)，區(qū)別在于SLS的材料不是液態(tài)的光聚合物，而是粉末材料，金屬、尼龍、塑料、陶瓷等粉末材料均可，這樣就使得SLS的適用范圍更廣，航空、航天、汽車、家電等行業(yè)中去，因此在這里的行業(yè)在工藝上，SLS控制激光，選擇性的燒結(jié)粉末，使粉末燒結(jié)固化形成一個(gè)層面，經(jīng)過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使粉末固化層下降一個(gè)層厚的高度，重新涂鋪一層粉末再進(jìn)行激光掃描重復(fù)之前的步驟，直到完成整個(gè)三維數(shù)模的實(shí)體造型。

　　目前世界范圍內(nèi)進(jìn)行SLS技術(shù)研究的主要是美國(guó)的DTM公司，德國(guó)隊(duì)EOS公司以及中國(guó)北京隆源公司。其中DTM公司的SLS設(shè)備在市場(chǎng)使用率上占據(jù)領(lǐng)先地位，而EOS公司在金屬粉末燒結(jié)方面有著自己的特點(diǎn)。

　　3.3 FDM(熔融沉積成型技術(shù))

　　FDM與之前的SLA、SLS有一些區(qū)別，它采用熱熔噴頭，使熔融的材料，比如尼龍、塑料等，根據(jù)CAD數(shù)據(jù)信息的將材料擠壓在制定位置凝固成型，逐層堆積，最后形成完整的零件。現(xiàn)在世界上FDM技術(shù)較為領(lǐng)先的是美國(guó)的Stratasys公司和Dimension公司，占據(jù)了市場(chǎng)大多數(shù)的份額。

　　3.4 LJP(立體噴墨打印技術(shù))

　　LJP技術(shù)在早些年就已經(jīng)產(chǎn)生，在美國(guó)麻省理工學(xué)院開發(fā)成功，但并沒(méi)有完全推向市場(chǎng)，大多應(yīng)用于內(nèi)部研究，而近來(lái)立體打印技術(shù)經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)，逐步在市場(chǎng)上占據(jù)一定的地位。從技術(shù)特點(diǎn)以及工藝上來(lái)看，LJP與FDM有相似之處，都采用的是將材料加熱到熔融狀態(tài)，再將材料噴出，堆積形成實(shí)體三維模型，但LJP的成型速度更快，表明質(zhì)量更高，而且吸取了FDM可以隨意更換制造原料的特性，一種材料裝在一個(gè)墨盒里，每次制作前根據(jù)需要選擇原料，方便快捷，同時(shí)又排除了FDM的缺點(diǎn)，比如成型速度慢，表面光潔度較低，模型精度不理想等，LJP制作出樣品的外觀質(zhì)量基本上可以與SLA相媲美，因此近幾年采用LJP工藝的快速成型設(shè)備逐漸占據(jù)了主流市場(chǎng)。

　　還有一種是LOM(紙張疊層造型技術(shù))由于制作出的三維模型精度低，表明光潔度差，經(jīng)常無(wú)法準(zhǔn)確再現(xiàn)三維數(shù)字模型，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸走向沒(méi)落。

　　4 我國(guó)RP技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

　　快速原型是世界制造業(yè)的一次重大創(chuàng)新，是先進(jìn)制造技術(shù)群中的重要組成部分。它集中了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)，在沒(méi)有傳統(tǒng)模具和夾具的情況下，快速制造出任意復(fù)雜形狀而又具有一定功能的三維實(shí)體模型或零件。快速原型與制造技術(shù)的推廣應(yīng)用將明顯縮短新產(chǎn)品的上市時(shí)間，節(jié)約新產(chǎn)品開發(fā)和模具制造、修復(fù)的費(fèi)用。美國(guó)、日本及歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家已將快速成形技術(shù)應(yīng)用于航空、航天、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型(雕刻)、建筑模型、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域。

　　而我國(guó)RP研究工作起步于90年代初。剛開始時(shí)技術(shù)引進(jìn)較多，1994年以來(lái)，我國(guó)已有20余家企業(yè)或機(jī)構(gòu)從國(guó)外引進(jìn)RP機(jī)器，加快了企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)、取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但由于引進(jìn)價(jià)格昂貴，如美國(guó)3Dsystem公司生產(chǎn)的SLA250系統(tǒng)售價(jià)20萬(wàn)美元，SLA500價(jià)格高達(dá)40萬(wàn)美元，加之材料也依靠進(jìn)口，使生產(chǎn)成本過(guò)高，往往是國(guó)內(nèi)大多制造型企業(yè)無(wú)法承受的。

　　為了解決中國(guó)制造業(yè)對(duì)RP的迫切需求，1991年以來(lái)，在中國(guó)政府資助和支持下，一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)積極開展RP研究，并取得較大的進(jìn)展。

　　我國(guó)最早在快速成型技術(shù)方面開展研究的科研機(jī)構(gòu)主要有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)。這些科研機(jī)構(gòu)早期在開發(fā)系統(tǒng)設(shè)備方面各有側(cè)重。1992年，清華大學(xué)引進(jìn)了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的SLA-250光固化成形設(shè)備，成立了激光快速成形中心，開展快速成形技術(shù)的研究。研制出世界上最大的LOM雙掃描成形機(jī)，已提供給國(guó)內(nèi)的汽車制造企業(yè)，研制成功的多功能快速造型系統(tǒng)MRPMS已打入國(guó)際市場(chǎng)，自主開發(fā)的大型擠壓噴射成形RP設(shè)備SSM1600SSM成形尺寸已達(dá)1600×800×750mm3，也居世界之首。

　　西安交通大學(xué)多年來(lái)一直致力于SLA的成型材料和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，在盧秉恒院士的帶領(lǐng)下，西交大自主研發(fā)出一套國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的快速成型系統(tǒng)，同時(shí)在成型材料等方面同樣取得了重大突破，并已形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，因此獲1998年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2000年教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。華中理工大學(xué)從1991年開始，在政府的支持下開始進(jìn)行RP技術(shù)研究，1994年開發(fā)成功LOM樣機(jī)，到1997年就向市場(chǎng)推出商品化的LOM成型設(shè)備。目前，該單位已對(duì)LOM設(shè)備進(jìn)行了系列化的開發(fā)，同時(shí)還成功地推出商品化的SLS設(shè)備。華中理工大學(xué)還利用復(fù)膜技術(shù)快速制造鑄模，翻制出了鋁合金模具和鑄鐵模塊。

　　此外，南京航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、華北工學(xué)院、浙江大學(xué)等知名高校在該領(lǐng)域也做了許多工作。例如在基于快速成形技術(shù)的快速制造模具方面，上海交通大學(xué)開發(fā)了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計(jì)算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng)，為汽車行業(yè)制造了多種模具。

　　目前，部分國(guó)產(chǎn)RP設(shè)備已接近或達(dá)到美國(guó)公司同類產(chǎn)品的水平，價(jià)格卻便宜得多，自主研發(fā)應(yīng)用于快速成型的材料也逐步趨于完善，材料的價(jià)格更加便宜，等待投放市場(chǎng)后可以改善過(guò)于依賴進(jìn)口材料的狀況。我國(guó)已初步形成了RP設(shè)備和材料的制造體系。

　　國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)在快速成形系統(tǒng)的應(yīng)用上，走在了國(guó)內(nèi)制造型企業(yè)前列。如廣東美的、科龍、江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先后采用快速成形系統(tǒng)來(lái)開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。近些年隨著通訊事業(yè)在我國(guó)的高速發(fā)展，一些國(guó)內(nèi)通訊巨頭企業(yè)例如華為、中興等公司也逐漸將快速成型技術(shù)引入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)節(jié)，使得公司對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)效率、產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力提升了一個(gè)等級(jí)。

　　在模具制造業(yè)，快速成型技術(shù)同樣起到了重要作用。利用快速成形技術(shù)制得的快速原型，結(jié)合硅膠模、金屬冷噴涂、精密鑄造、電鑄、離心鑄造等方法生產(chǎn)模具;快速成形件也可以直接或間接制得EDM電極，用于電火花加生產(chǎn)模具;快速成形技術(shù)制得的快速原型也可以直接作為模具。

　　近年來(lái)，在國(guó)家科學(xué)技術(shù)部的支持下，我國(guó)已經(jīng)在深圳、天津、上海、西安、南京、重慶等地建立一批向企業(yè)提供快速成形技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu)，并開始起到了積極的作用，推動(dòng)了快速成形技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，使我國(guó)RP技術(shù)的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場(chǎng)化的軌道，為我國(guó)制造型企業(yè)的發(fā)展起到了支撐作用，提升了企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)能力，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)做出了重大貢獻(xiàn)。

　　快速成形技術(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的正在不斷完善的高新技術(shù)。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，該技術(shù)將會(huì)被越來(lái)越多的企業(yè)所采用，對(duì)企業(yè)的發(fā)展，發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，并將給企業(yè)帶來(lái)直接的巨大經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，快速成形技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù)，其本身的發(fā)展，也將推動(dòng)相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此大力推行發(fā)展我國(guó)快速成型技術(shù)，建立創(chuàng)新技術(shù)自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)提升我國(guó)企業(yè)的民族品牌效應(yīng)，矗立世界企業(yè)之林打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于拉動(dòng)內(nèi)需，降低現(xiàn)今全球金融風(fēng)暴對(duì)我國(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的影響也會(huì)起到一部分積極的作用。